基于WiMAX的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　0 引言

　　傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本都是定點(diǎn)監(jiān)控， 受制于硬件及傳輸線路的連接，不能滿足行業(yè)的特殊需要?；?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1252/" target="_blank">無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)監(jiān)控技術(shù)可以很好地滿足這一社會(huì)需求。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)有GSM 網(wǎng)絡(luò)、GPRS 網(wǎng)絡(luò)、CDMA 1X 網(wǎng)絡(luò)，利用無(wú)線信道傳輸話音、數(shù)據(jù)和視頻己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但是普遍存在傳輸速率不高、傳輸圖像不穩(wěn)定和傳輸?shù)?a target="_blank">信息存在安全漏洞等問(wèn)題。本文主要研究了基于WiMAX 的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)與應(yīng)用，WiMAX 具有良好的非視距特性和高帶寬， 可以滿足復(fù)雜城市環(huán)境中的傳輸要求，能夠很好地解決對(duì)環(huán)境要求比較苛刻、不易敷設(shè)線纜地方的視頻監(jiān)控的問(wèn)題，比如旅游景點(diǎn)等。

　　1 WiMAX 系統(tǒng)概述及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　在市場(chǎng)和技術(shù)的共同驅(qū)動(dòng)下， 無(wú)線通信系統(tǒng)在最近幾十年經(jīng)歷了幾次巨大跨越， 從2G 到3G，無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)解放了有線的束縛，成為人們必不可少的通信手段。WiMAX 是一項(xiàng)基于IEEE 802.16空中接口標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無(wú)線接入城域網(wǎng)（BWAMAN）技術(shù)。2007 年10 月，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）已批準(zhǔn)WiMAX 寬帶無(wú)線接入技術(shù)成為移動(dòng)設(shè)備的全球標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX 成為繼WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA后全球第四個(gè)3G 標(biāo)準(zhǔn)。

　　WiMAX 系統(tǒng)的通信實(shí)體包括移動(dòng)用戶臺(tái)（MSS）、接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（ASN）、連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（CSN）和應(yīng)用服務(wù)提供商（ASP）網(wǎng)絡(luò)或者Internet.有關(guān)非漫游模式端到端參考模型如圖1 所示。

　　圖1 基于802.16 的非漫游模式端到端參考模型

　　ASN 由基站（BS） 和ASN 網(wǎng)關(guān)（ASN GW） 構(gòu)成， 作為一個(gè)邏輯實(shí)體， 它的功能是管理IEEE802.16 空中接口，為WiMAX 用戶提供無(wú)線接入。

　　ASN 網(wǎng)關(guān)是BS 和CSN 通信的管理通信實(shí)體。ASN作為WiMAX 系統(tǒng)的接入網(wǎng)，為WiMAX 用戶提供無(wú)線接入。

　　CSN 是一套網(wǎng)絡(luò)功能的組合，為WiMAX 用戶提供IP 連接。CSN 包含許多功能實(shí)體，如路由器、AAA 代理或者服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等。

　　協(xié)議接口位于兩組功能之間， 兩組功能則分別位于協(xié)議接口兩側(cè)的功能實(shí)體中，協(xié)議接口兩側(cè)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口上的協(xié)議實(shí)現(xiàn)互操作。圖1 包含了非漫游模式端到端模型定義的主要接口。

　　2 WiMAX 系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

　　WiMAX 技術(shù)是新一代寬帶無(wú)線接入技術(shù)，通過(guò)接入核心網(wǎng)從而提供業(yè)務(wù)。與之前的寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)相比，它的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于所采用的空中接口技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可簡(jiǎn)要概括為以下幾點(diǎn)：a）傳輸距離遠(yuǎn)，WiMAX 的無(wú)線信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)50km.

　　b） 接入速率高，WiMAX 所能提供的最高接入速率是70Mbit/s.c）支持固定、游牧、便攜和全移動(dòng)多種場(chǎng)景。

　　d）基站對(duì)信道資源進(jìn)行集中管理，實(shí)現(xiàn)了空口的QoS 管理。

　　2.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

　　OFDM 是一種多載波傳輸技術(shù)，將較寬的頻帶分成若干較窄的子帶（子載波）進(jìn)行并行發(fā)送，這是最樸素的實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸?shù)姆椒?。?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)FFT 發(fā)展的推動(dòng)下，允許將各個(gè)子載波重疊排列，同時(shí)保持子載波之間的正交性，從而有效避免了子載波之間的干擾。由于相同的帶寬內(nèi)容納了更多的子載波，部分重疊的子載波可以大大提高頻譜效率［3］.OFDM 技術(shù)成為新一代無(wú)線通信的核心技術(shù)，是由于它具有以下優(yōu)點(diǎn)：頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配、實(shí)現(xiàn)OFDM 技術(shù)較簡(jiǎn)單。

　　2.2 多進(jìn)多出（MIMO）技術(shù)

　　MIMO 技術(shù)可以在不消耗額外空口資源的基礎(chǔ)上成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。

　　MIMO 系統(tǒng)是指在發(fā)射機(jī)/ 接收機(jī)采用多天線發(fā)送/ 接收的系統(tǒng)，MIMO 系統(tǒng)之所以可以在不消耗額外時(shí)間和頻率資源的基礎(chǔ)上大大提高系統(tǒng)容量，是因?yàn)樗昧说谌N資源---空間。不同的天線只要相隔一定距離，它們就可以擁有不同的多徑衰落信道，從而可以實(shí)現(xiàn)“空間分集”。利用這種空間分集，就可以改變信道的性質(zhì)，變?yōu)槎噙M(jìn)多出信道。

　　通信理論證明，MIMO 信道的容量可以成倍地高于單進(jìn)單出信道。

　　2.3 自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)

　　AMC 的原理是根據(jù)用戶瞬時(shí)信道質(zhì)量狀況和當(dāng)前資源，選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式。

　　靠近基站的用戶接收信號(hào)功率強(qiáng)， 采用高階調(diào)制方式（如16QAM 或64QAM）和高速率信道編碼（3/4編碼速率）使用戶獲得盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率；當(dāng)信號(hào)較差時(shí)，則選取低階調(diào)制方式（如QPSK）和低速率信道編碼（1/4 編碼速率） 來(lái)保證通信質(zhì)量。

　　WiMAX 采用AMC 作為基本的鏈路自適應(yīng)技術(shù)對(duì)調(diào)制編碼速率進(jìn)行選擇。

　　3 WiMAX 在視頻監(jiān)控中的實(shí)際應(yīng)用

　　WiMAX 技術(shù)提供了靈活的QoS 機(jī)制，可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和特性配置不同的QoS 策略，包括語(yǔ)音、視頻及互聯(lián)網(wǎng)接入等，既保證了網(wǎng)絡(luò)帶寬的穩(wěn)定性，同時(shí)又可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。WiMAX網(wǎng)絡(luò)承載包括兩部分：無(wú)線承載和IP 傳輸承載。無(wú)線承載通過(guò)IEEE 802.16 機(jī)制提供端到端的QoS服務(wù)，IP 傳輸承載則采用DiffServ 和多協(xié)議標(biāo)識(shí)交換（MPLS）等IP 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)來(lái)保證QoS.

　　典型的IP 智能監(jiān)控解決方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 無(wú)線接入視頻監(jiān)控解決這群組網(wǎng)圖

　　在實(shí)際組網(wǎng)中，根據(jù)視頻監(jiān)控點(diǎn)分布的位置，結(jié)合可安裝WiMAX 無(wú)線接入基站的機(jī)房資源、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布情況以及可用頻率資源情況，選擇合適的站址設(shè)立WiMAX 中心站（基站）。各監(jiān)控點(diǎn)作為無(wú)線接入的遠(yuǎn)端站， 通過(guò)和基站間的空中鏈路實(shí)現(xiàn)與中心基站的連接，中心基站通過(guò)100Mbit/s端口接入IP 承載網(wǎng)， 這樣各監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)WiMAX 無(wú)線接入的方式經(jīng)過(guò)中心機(jī)房匯聚后接入監(jiān)控中心。

　　WiMAX 無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻采集前端系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控四個(gè)部分組成。

　　3.1 視頻采集前端系統(tǒng)

　　由攝像頭、監(jiān)聽(tīng)頭、對(duì)講設(shè)備、報(bào)警探頭和編解碼器等組成， 其中的編解碼器采用的是H3C 的設(shè)備。當(dāng)前端到中心的帶寬足夠、允許中心存儲(chǔ)時(shí)，前端配置EC 編碼器；當(dāng)帶寬有限、無(wú)法中心存儲(chǔ)時(shí)，采用支持前端存儲(chǔ)的ECR 編碼器；當(dāng)前端需要解碼還原圖像時(shí)， 通過(guò)加裝的DC 解碼器實(shí)現(xiàn)圖像的現(xiàn)場(chǎng)查看。

　　EC 編碼器支持接入攝像頭和監(jiān)聽(tīng)的視音頻信號(hào)， 并將其轉(zhuǎn)換壓縮為數(shù)字信號(hào)通過(guò)空間鏈路傳送到監(jiān)控中心。EC 支持移動(dòng)偵測(cè)報(bào)警，支持通過(guò)RS485 口對(duì)云臺(tái)、球機(jī)的控制，支持接入對(duì)講設(shè)備和報(bào)警輸入輸出設(shè)備，滿足視頻監(jiān)聽(tīng)、云臺(tái)控制、對(duì)講和報(bào)警接收聯(lián)動(dòng)的基本需求。同時(shí)支持本地緩存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)可以保存圖像信息。

　　ECR 編碼器同樣支持接入攝像頭和監(jiān)聽(tīng)的視音頻信號(hào)， 并將其轉(zhuǎn)換壓縮為數(shù)字信號(hào)傳送到監(jiān)控中心。ECR 支持通過(guò)RS485 口對(duì)云臺(tái)、球機(jī)的控制，支持接入對(duì)講設(shè)備和報(bào)警輸入輸出設(shè)備。內(nèi)置最大8 個(gè)盤(pán)位和支持RAID5 的NAS 盤(pán)陣，可以提供高可靠的本地存儲(chǔ)。ECR 還可以為局域網(wǎng)環(huán)境下的其他EC 編碼器提供NAS 存儲(chǔ)服務(wù)，通過(guò)EC 編碼器擴(kuò)展ECR 的編碼能力。

　　DC 編碼器用于接收中心指令， 將系統(tǒng)中任何一路編碼的圖像解碼還原成模擬的視音頻信號(hào)，接入到現(xiàn)場(chǎng)電視機(jī)或者其它影像設(shè)備，用于展示實(shí)時(shí)視頻信息或視頻指揮。

　　所有編解碼器都可以被監(jiān)控中心的集成監(jiān)控中心主機(jī)統(tǒng)一配置、認(rèn)證和網(wǎng)管。

　　3.2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

　　通過(guò)WiMAX 的遠(yuǎn)端站CPE（客戶端設(shè)備），將前端系統(tǒng)采集到的視頻等數(shù)字信號(hào)處理為射頻信號(hào)后發(fā)往基站，再由基站通過(guò)以太網(wǎng)或光纖傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控中心統(tǒng)一監(jiān)視、管理。

　　由于無(wú)線傳輸信道的開(kāi)放性，使得WiMAX 系統(tǒng)必須具有很好的安全機(jī)制來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。

　　WiMAX 安全規(guī)范的核心基于MAC 層協(xié)議棧的安全子層， 大部分的算法和安全機(jī)制都以MAC 控制信息的形式存在于此。WiMAX 可以自由地選取工作在7 層模型中更高層（如網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層等）上的安全機(jī)制，這些機(jī)制包括IP 安全（IPSec）協(xié)議、傳輸層安全（TLS）協(xié)議和無(wú)線傳輸層安全（WTLS）協(xié)議。該子層提供接入控制，通過(guò)電子簽名的雙向設(shè)備認(rèn)證機(jī)制，并且應(yīng)用密鑰變換進(jìn)行加密以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備建立連接，協(xié)議就發(fā)揮了確保機(jī)密性和認(rèn)證設(shè)備的作用。

　　3.3 監(jiān)控中心

　　監(jiān)控中心的核心設(shè)備包括集成監(jiān)控中心主機(jī)和集成監(jiān)控中心輔機(jī)。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心管理服務(wù)器，可以對(duì)前端和中心所有的編解碼器進(jìn)行統(tǒng)一配置、認(rèn)證和網(wǎng)管，對(duì)所有用戶訪問(wèn)進(jìn)行統(tǒng)一認(rèn)證，對(duì)報(bào)警、云臺(tái)控制、解碼輸出控制的輸出指令進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)發(fā)和聯(lián)動(dòng)處理。主機(jī)內(nèi)置防火墻功能可以杜絕惡意入侵，保障系統(tǒng)信息安全。

　　集成監(jiān)控中心主機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的Web 服務(wù)器為用戶提供Web 客戶端訪問(wèn)服務(wù)， 通過(guò)Web 客戶端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前端編解碼器的統(tǒng)一配置和網(wǎng)管，還可以接收解碼前端編碼器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字視音頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像語(yǔ)音監(jiān)視監(jiān)聽(tīng)、圖像查詢回放、報(bào)警接收等功能。Web 客戶端還可以通過(guò)主機(jī)發(fā)送指令給中心解碼器解碼輸出視頻信號(hào)上電視墻， 實(shí)現(xiàn)數(shù)字矩陣的功能。集成監(jiān)控中心主機(jī)配合輔機(jī)可以作為NVR 網(wǎng)絡(luò)視頻錄像機(jī)使用， 主機(jī)和輔機(jī)均可以接收指定編碼器傳送上來(lái)的視頻存儲(chǔ)流， 內(nèi)置的8個(gè)盤(pán)位NAS 存儲(chǔ)空間可以提供高質(zhì)量的存儲(chǔ)服務(wù)，同時(shí)提供RAID5 保護(hù)。

　　主機(jī)內(nèi)置了豐富的人機(jī)界面接口，可以接入顯示器、監(jiān)視器、專業(yè)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，方便監(jiān)控中心操作人員直接在主機(jī)上監(jiān)視、控制遠(yuǎn)程圖像，并通過(guò)中心的視音頻采集通道和對(duì)講通道實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)人員的可視對(duì)講、廣播。

　　3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以通過(guò)Web 客戶端訪問(wèn)控制中心的主機(jī)，在授權(quán)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基本視頻功能，同時(shí)還可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心配置實(shí)現(xiàn)二級(jí)監(jiān)控。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　與傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比， 采用IEEE802.16 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于WiMAX 寬帶無(wú)線接入的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有高帶寬、非視距、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中有線傳輸?shù)南拗?，?shí)現(xiàn)了“最后一公里”的無(wú)線接入，有利于在光纖不易敷設(shè)的地方快速架設(shè)、組網(wǎng)。